Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Stiffness of reverse channel connections at room and elevated temperatures
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Structural and Construction Engineering.
2013 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

A frame structure exposed to fire undergoes two types of changes due to the resulting temperature fields. The first is the thermal expansion of the structural members and the second is the degradation of the material strength and stiffness as temperature rises. Initially the thermal expansion dominates the response and the structural member (beam) is exposed to compressive forces due to restrained expansion, thus precipitating flexural buckling. At higher temperatures the mechanical material properties degrade. This fact, together with the high compressive forces in the bottom flanges of the beam often results in local buckling, followed by the formation of a plastic hinge close to the support region. The combination of transverse loads and the rising temperature leads to the development of excessive deflections in the beam. When temperature rises enough for the bending resistance of the beam to become insufficient, catenary action is introduced. The result is that the beam transitions to a stage where tensile forces appear due to the catenary action. In these different stages of the response of the structure the beam-to-column connection plays a crucial role and its robustness will determine if the structure will be able to maintain its integrity.The robustness of a structure in a fire situation greatly depends on the rotational capacity of the connection region. High rotational capacity is required at elevated temperatures since the steel beams lose their bending stiffness and exhibit increasingly large deflections under constant load. Beam deflections result in increasing rotations at the supports and may lead to collapse due to connection failure. Other possible failure modes may occur in the structural members, for example due to yielding in tension of the beam. The reverse channel has been proposed as a practical alternative to assemble beams to tubular columns. In a simple implementation, the bending moment generated in the joint due to rotation of the beam may be neglected; however, research efforts are being attempted to quantify the level of constraint. The typical arrangement of the connection type consists of a reverse channel with its flanges welded onto the face of concrete-filled tubular columns and the web bolted to the endplate of a beam. Thicknesses and depths of the reverse channel determine the level of rotational restraint at high temperature. The reverse channel has the ability to undergo catenary deformation in the tensile zone due to the applied rotation at the support and similarly it is relatively ductile in the compression zone. Overall, the reverse channel connection response is rather ductile in terms of its ability to undergo large rotational deformation as long as bolt failure is avoided through proper design.Various tests have been performed to study the behaviour of this type of connection such as full scale buildings, sub-frames, isolated joints and individual sections. The aim of these tests was to capture the connection behaviour in relation to other structural components in fire. This thesis focuses on the tests carried out on the connection components and their finite element modelling. A comprehensive parametric study was performed to assess the influence of different parameters on the behaviour of the connection component at elevated temperatures. The results from the finite element analyses have been utilized to validate analytical models that describe the behaviour of this type of connection at ambient and elevated temperature. Insight into the analytical models provides proper background to a structural designer to estimate the initial stiffness and understand the behaviour of the reverse channel in the connection.

Abstract [sv]

En ramkonstruktion utsatt för brand påverkas på två olika sätt av temperaturhöjningen. För det första blir det en längdutvidgning av temperaturhöjningen och för det andra tappar materialet styrka och styvhet med ökande temperatur. Inledningsvis dominerar effekten av temperatur-utvidgningen. Denna leder till tryckande tvångskrafter i konstruktionen vilka kan leda till knäckning.Vid höga temperaturer sjunker materialets styvhet och styrka. Detta kan tillsammans med de höga tryckkrafterna leda till att flytleder bildas vid stöd. De stora tryckkrafterna kan också orsaka knäckning i balken och transversallasterna kan med den minskade styvheten på grund av temperaturhöjning ge upphov till mycket stora deformationer och balkens bärförmåga blir vid tillräckligt höga temperaturer otillräcklig. Vid tillräckligt stora deformationer övergår det statiska verkningssättet från böjning till linverkan. Under denna övergång spelar förbanden mellan balkar och pelare en central roll, och hur dessa klarar att hantera laster och deformationer avgör om hela konstruktionen kan klara belastningen.Hur en konstruktion klarar en brandbelastning beror i hög grad på hur förbanden mellan balkar och pelare klarar rotationer. En stor rotationskapacitet krävs vid höga temperaturer eftersom stålbalkar då har låg bärförmåga och deformationerna kan bli mycket stora även om lasterna är oförändrade. Stora deformationer i balkarna leder till stora rotationer i knutpunkterna vilket kan leda till att förbanden brister och hela konstruktionen kollapsar. Andra möjliga brottmoder kan vara kollaps av balkarna på grund av plasticering under drag. U-profilen har föreslagits som ett praktiskt alternativ för att ansluta balk till pelare. Rotationskapaciteten för ett sådant förband kan bedömas som försumbar, men forskningsinsatser görs för att bestämma den. En föreslagen utformning är att svetsa U-profilens flänsar till den betongfyllda pelaren med slutet tvärsnitt och livet fäst med skruvar i ändplåten på en balk. Rotationsstyvheten vid höga temperaturer kommer att bero på dimensioner på U-profilen. En U-profil har möjligheten att genomgå omvandlingen till linverkan i den dragna delen när den utsätts för ändrotation med den tryckta delen intakt. I allmänhet har ett förband med en U-profil möjlighet att klara stora rotationer under förutsättning att skruvförbandet är utformat på rätt sätt.Ett antal försök har genomförts för att studera hur föreliggande förband kan fungera i en byggnad, en del av en ram, enskilda förband och i tvärsnitt. Försöken har gjorts för att nå förståelse för hur förbandet fungerar tillsammans med andra konstruktionsdetaljer när de utsätts för brandbelastning. Denna avhandling fokuserar på försöken med delar ur förbandet och finit element modellering. En omfattande parameterstudie har gjorts för att förstå hur olika parametrar påverkar förbandets egenskaper vid förhöjd temperatur. Från FE-beräkningarna har analytiska modeller tagits fram som beskriver förbandets egenskaper vid medelhöga och höga temperaturer och dessa ger konstruktören möjlighet att uppskatta den ursprungliga styvheten hos förbandet med U-profil och förståelse för dess uppträdande.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2013.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
National Category
Building Technologies
Research subject
Steel Structures
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-16840Local ID: 03eb3b88-43a5-4de3-ab00-ea273a95d28aISBN: 978-91-7439-768-0 (print)ISBN: 978-91-7439-769-7 (electronic)OAI: oai:DiVA.org:ltu-16840DiVA: diva2:989827
Note

Godkänd; 2013; 20131008 (timhei); Tillkännagivande disputation 2013-11-11 Nedanstående person kommer att disputera för avläggande av teknologie doktorsexamen, dubbel doktorsexamen LTU och University of Coimbra, Portugal. Namn: Tim Heistermann Ämne: Stålbyggnad/Steel Structures Avhandling: Stiffness of Reverse Channel Connections at Room and Elevated Temperatures Opponent: Professor Darko Beg, Head of Steel Structures, Ljubljana University, Ljubljana, Slovenien Ordförande: Professor Milan Veljkovic, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Luleå tekniska universitet Vice ordförande: Assistant Professor Rui António Duarte Simões, Civil Engineering Department, University of Coimbra, Coimbra, Portugal Tid: Tisdag den 3 december 2013, kl 09.00 Plats: F1031, Luleå tekniska universitet

Available from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(8022 kB)35 downloads
File information
File name FULLTEXT03.pdfFile size 8022 kBChecksum SHA-512
b1c29a7df6fe39d5e052abbcc18d2e97edefefc45b854f83b7dacdfb0c9eb213acb79f73f33a59d41c5fade29e405a3cf9df85c3c5934ad03dff2f87fd094f07
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Heistermann, Tim
By organisation
Structural and Construction Engineering
Building Technologies

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 36 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 1022 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf